氮与笼内MoCl5协同掺杂实现超高电导碳纳米管纤维

为什么新型导线对日常科技重要

从手机充电器到智能夹克，现代生活依赖于既薄又柔的导线来安全高效地传输电能。如今我们主要使用铜、铝等金属导线，这些材料工作可靠，但质量大、反复弯曲易断、在恶劣环境中会腐蚀。本文探讨了一种以碳纳米管束——一种像吸管般的碳管——为原料，通过巧妙引入氮原子和金属盐五氯化钼的组合，构建更轻、更强、更耐用导线的新方法。所得纤维在关键性能上能超越铜，同时保持足够的柔韧性以织入织物。

将微小管变为有用的线材

研究人员先从碳纳米管纤维入手，这些纤维通过将万亿根纳米管纺成长而有序的线状结构制得。理论上，单根纳米管的导电能力极强，但在纤维束中，管间的空隙和薄弱接触会减缓电荷传输。此前的改进手段多为压缩管束或镀金属涂层，但这些方法要么无法完全缩小与铜的性能差距，要么长期稳定性不足。难点在于在不破坏结构或使其变脆的前提下，提升纤维中可移动电荷载流子数目。

用于更好导电性的两步配方

团队设计了一个两步掺杂策略——通过受控引入杂质来调节材料的电子性质。首先，他们采用温和的等离子体处理将氮原子插入纳米管壁。此步骤在管表面产生少量缺陷，单独来看仅能带来有限的导电改善，但为下一步成分提供了锚点。其次，他们将这些经氮处理的纤维暴露于五氯化钼（MoCl5）气相中。在新的缺陷位点的引导下，MoCl5分子不仅附着在管表面，还进入纳米管的空心管芯并被困在那里。这种“笼内”填充促使碳向掺杂剂发生强烈电荷转移，大幅提高载流子密度，同时在很大程度上保留了纤维的有序结构。

在铜的擅长领域胜出

通过这种氮与MoCl5的组合掺杂，研究人员制备出性能显著的纤维。共掺杂纤维的电导率约为2.7×10^7西门子/米，其比电导率（电导率除以密度）比铜高出15%以上，且比许多其他金属高数倍。其临界电流密度超过1200安/平方毫米，超过了相似尺寸的铜线，同时保持了高抗拉强度与柔韧性。测试表明，内部的MoCl5在纳米管芯内得到良好保护，这有助于纤维在受热、弯曲和常见溶剂处理后仍保持性能。与仅在外部掺杂的纤维相比，笼内设计明显提高了稳定性与性能。

从轻量加热器到屏蔽织物

由于这些碳纳米管纤维纤细、轻便且柔韧，它们既可捆束成电缆，也可直接编织进纺织品。作者演示了一个多丝纤维供电点亮若干灯泡，以及一个类织物加热器，在低电压下迅速升温到近400摄氏度，断电后冷却也同样迅速。他们还将纤维编织成在用于无线通信的微波频段具有强屏蔽能力的织物。一种双层织物实现了超过90分贝的屏蔽，足以在覆盖该织物时阻止智能手机进行无线充电。这种机械强度、可弯曲性与电性能的组合，预示着未来可比现有金属方案更轻且更耐用的服装、电缆和器件。

对未来电子设备的意义

简而言之，这项研究表明，精确将合适的分子置入碳纳米管内部，可以将轻质线材转变为类似超导体的高性能导线，既优于铜，又保持柔韧与稳定。氮步骤使纳米管准备好接纳MoCl5分子，而这些分子被限制在管内后能免受外界环境影响。二者协同增加载流子数目，同时不牺牲纤维的强度与有序性。由于该工艺具有可扩展性并可与其他掺杂剂配合使用，它为大规模生产超轻电气布线和智能纺织品铺平了道路，应用范围从可穿戴加热器与传感器到对敏感电子设备的高级屏蔽。

引用: Sun, T., Huang, J., Yu, B. et al. Synergistic nitrogen and endohedral MoCl₅ doping for ultrahigh-conductivity carbon nanotube fibers. Nat Commun 17, 3110 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69498-7

关键词: 碳纳米管纤维, 柔性导体, 电磁屏蔽, 掺杂工程, 智能纺织品